Forscher untersuchen, wie Chemiegärten wachsen

Seit Mitte des 16. Jahrhunderts sind Chemiker von farbenfrohen, korallenähnlichen Strukturen fasziniert, die durch das Mischen von Metallsalzen in einer kleinen Flasche entstehen.

Bisher konnten Forscher nicht modellieren, wie diese täuschend einfachen röhrenförmigen Strukturen – sogenannte chemische Gärten – funktionieren und welche Muster und Regeln ihre Entstehung bestimmen.

In einem Artikel veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher der Florida State University entwerfen ein Modell, das erklärt, wie diese Strukturen nach oben wachsen, unterschiedliche Formen annehmen und wie sie von einem flexiblen, selbstheilenden Material zu einem spröderen werden.

„Im Materialkontext ist es sehr interessant“, sagte Oliver Steinbock, Professor für Chemie und Biochemie an der FSU. „Sie wachsen nicht wie Kristalle. Ein Kristall hat schöne scharfe Ecken und wächst Atomschicht für Atomschicht. Und wenn in einem Chemiegarten ein Loch entsteht, heilt es sich selbst. Das sind wirklich frühe Schritte, um zu lernen, wie man solche Materialien herstellt.“ kann sich selbst neu konfigurieren und reparieren.

Typischerweise entstehen chemische Gärten, wenn Metallsalzpartikel in eine Silikatlösung gegeben werden. Das sich auflösende Salz reagiert mit der Lösung und bildet eine semipermeable Membran, die in der Lösung nach oben ragt und eine biologisch aussehende Struktur, ähnlich einer Koralle, erzeugt.

Wissenschaftler beobachteten erstmals im Jahr 1646 Chemiegärten und sind seit Jahren von ihren interessanten Formationen fasziniert. Die Chemie hängt mit der Bildung hydrothermaler Quellen und der Korrosion von Stahloberflächen zusammen, wo sich unlösliche Röhren bilden können.

„Den Leuten wurde klar, dass das seltsame Dinge waren“, sagte Steinbock. „Sie haben eine sehr lange Geschichte in der Chemie. Es ähnelte eher einem Demonstrationsexperiment, aber in den letzten 10 bis 20 Jahren interessierten sich Wissenschaftler wieder für sie.“

Die Inspiration für das mathematische Modell, das Steinbock zusammen mit dem Postdoktoranden Bruno Batista und dem Doktoranden Amari Morris entwickelte, kam von Experimenten, bei denen eine Salzlösung gleichmäßig in ein größeres Volumen einer Silikatlösung zwischen zwei horizontalen Platten injiziert wurde. Diese zeigten deutliche Wachstumsmodi und dass das Material anfangs dehnbar war, mit zunehmendem Alter jedoch steifer wird und zum Brechen neigt.

Die Eingrenzung zwischen zwei Schichten ermöglichte es den Forschern, eine Reihe unterschiedlicher Formmuster zu simulieren, von denen einige wie Blumen, Haare, Spiralen und Würmer aussahen.

In ihrem Modell beschrieben die Forscher, wie diese Muster im Laufe der Entwicklung des Chemiegartens entstehen. Salzlösungen können in ihrer chemischen Zusammensetzung stark variieren, ihr Modell erklärt jedoch die Universalität der Bildung.

Die Muster können beispielsweise aus losen Partikeln, gefalteten Membranen oder sich selbst erstreckenden Filamenten bestehen. Das Modell bestätigte auch Beobachtungen, dass sich frische Membranen als Reaktion auf Mikrobrüche ausdehnen, was die Selbstheilungsfähigkeiten des Materials demonstriert.

„Das Gute daran ist, dass wir die Essenz dessen verstanden haben, was nötig ist, um die Form und das Wachstum von Chemiegärten zu beschreiben“, sagte Batista.